УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР НА МИКРОСХЕМАХ

June 13, 2014 by admin Комментировать »

В, БАРТЕНЕВ (СССР)

Измерительный прибор, описанный ниже, предназначен для измерения постоянных и переменных напряжения и тока, активного и реактивного сопротивления, частоты. Его особенностями являются широкий интервал измеряемых значений, линейность шкалы во всех режимах измерения, относительно небольшое число точных образцовых резисторов, возможность питания как от сети, так и От батарей, портативность. Предусмотрены возможность измерения подключения прибора и установка его стрелки на нуль без отключения щупов от контролируемой цепи. Малые габариты и масса, высокая стабильность работы и экономичность прибора достигнуты благодаря Использованию в нем интегральных микросхем.

Прибором можно измерять постоянное и переменное напряжения от 1 мВ до 1 кВ на поддиапазонах 10 мВ, 30 мВ, J00 мВ, 300 мВ, 1000 мВ, 3000 мВ, 10 В, 30 В, 100 В, 300 В, 1000 В; постоянный и переменный токи от 1 нА до 3·\ на поддиапазонах 10 нА, 30 нА, 100 нА, 300 нА, 1000 нА, 3000 нА, 10 мкА, 30 мкА, 100 мкА, 300 мкА, 1000 мкА, 3000 мкА, 10 мА, 30 мА, 100 мА, 300 мА,. 1000 мА, 3000 мА. Приведенная погрешность измерения постоянных напряжения и тока не превышает ±2%, а переменных +4% в интервале частот 40 Гц —50 кГц. В интервале частоты от 20 Гц до 150 кГц погрешность показаний прибора не превышает ±6%.

Входное сопротивление прибора по постоянному, току составляет 10 МОм на всех поддиапазонах. Входная емкость прибора на поддиапазонах 10—3000 мВ не более 25 пФ, а на поддиапазонах 10—1000 В не более 15 пФ. Падение напряжения на приборе при измерении тока на всех поддиапазонах, кратных трем,—300 мВ, а на остальных — 100 мВ. Шкала прибора для переменных тока и напряжения проградуирована в средневыпрямленном значении синусоидального напряжения (тока).

Активное сопротивление прибором’ можно измерять в пределах от 1 Ом до 1000 МОм на поддиапазонах 10 Ом, 100 Ом, 1000 Ом,- 10 кОм, 1000 кОм, 10 МОм, 100 МОм, 1000 МОм. Погрешность измерения на поддиапазонах 10 Ом—.1 МОм не хуже ±2%, на остальных — не хуже ± 5 %. Поддиапазоны измерения электрической емкости: 100 пФ, 300 пФ, 1000 пФ, 3000 пФ, 10 нФ, 30 нФ, 100 нФ, 300 нФ, 1000 нФ, 3000 нФ, 10 мкФ, 30 мкФ, 100 мкФ, 300 мкФ. Поддиапазоны измерения индуктивности: 1000 мкГн, 3000 мкГн, 10 мГн, 30 мГн, 100 мГн, 300 мГн, 1000 мГн, 3000 мГн:              По грешность измерения индуктивности и емкости не превышает ±5%. При измерении активного и реактивного сопротивлений предусмотрена калибровка прибора по встроенным образцовым резистору, конденсатору и катушке индуктивности.

Частоту можно измерять на следующих поддиапазонах: 10 Гц, 30 Гц, 100 Гц, 300′ Гц, 1000 Гц,. 3000 Гц, 10′ кГц, 30 кГц, 100 кГц.’

‘Прибор питается от двух батарей; «Крона». Той, потребляемый от источника питания в режимах, измерения напряжения, тока и сопротивления, не превышает 5 мА, а в режимах измерения емкости и. индуктивности — 10 мА. В режиме измерения сопротивления дополнительно подключают элемент 373. В приборе предусмотрен контроль питающих напряжений.

С помощью генератора треугольного напряжения, входящего в состав прибора и используемого в режиме измерения индуктивности и емкости, можно также налаживать различные низкочастотные радиолюбительские устройства. Генерируемые частоты приблизительно равны 2 Гц, 200 Гц (режим измерения емкости), 2 кГц, 20 кГц (режим измерения индуктивности). Амплитуду выходного низкочастотного напряжения можно плавно регулировать в пределах от 20 —3Θ мВ до 2—3 В.

Размеры прибора 250 х 190 х 90 мм, масса — около 2 кг.

Работу прибора в различных режимах удобнее рассматривать, пользуясь упрощенными схемами. Наиболее часто в радиолюбительской практике приходится измерять напряжение. Упрощенная схема измерения постоянного напряжения изображена на рис. 1. Измеряемое напряжение поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя МСу усиливается и подводится к стрелочному прибору — микроамперметру ИЩ. При достаточно большом коэффициенте усиления операционного усилителя ток /ип стрелочного прибора ИЛу определяется простой формулой:

где TJX — входное измеряемое напряжение, a jR0Cсопротивление резистора обратной связи.

Это соотношение позволяет рассчитать сопротивление резистора обратной связи. Так, для измерения напряжения 1 В при токе полного отклонения стрелки прибора ΗΠγ 100 мкА сопротивление резистора обратной связи должно быть равно 10 кОм.

Погрешность измерения напряжения зависит в основном от погрешности стрелочного прибора и допуска на сопротивление резистора обратной связи. Для расширения пределов измерения применяют входной делитель напряжения. При измерении переменного напряжения стрелочный прибор включают в цепь обратной связи’ через диодный мост Д\ — Д4 (рис. 2).

Большой коэффициент усиления операционного усилителя позволяет снизить порог детектирования, повысить линейность и стабильность . характеристики выпрямителя. Приближенно можно считать, что напряжение детектирования в этом случае уменьшается до Цхор/ЛГоу» где ί/ΗΟρ — пороговое напряжение, т. е. напряжение открывания р-п перехода диода, которое для кремниевых диодов составляет около 0,7 В, а К0у — коэффициент усиления операционного усилителя. Так как нижний предел измерения переменного напряжения в приборе, выбран равным 10 мВ, то для обеспечения линейности шкалы· при токе через микроамперметр, равном 0,5 — 1% номинального, операционный усилитель‘должен иметь коэффициент усиления не менее 10 000.‘

Резистор Д,с в цепи обратной связи, как и при измерении постоянного напряжения, определяет верхний предел измерений. Но показание стрелочного, прибора соответствует теперь среднему значению выпрямленного синусоидального тока, протекающего через него, т. е. шкала переменного напряжения в этом случае оказывается проградуированной в средневыпрямленном значении синусоидального напряжения. Расширение пределов измерения свыше 3 В достигается, как и при измерении постоянного напряжения, применением входного делителя напряжения. Для сохранения постоянного коэффициента деления на частотах свыше нескольких килогерц используют корректирующие конденсаторы. Верхний предел частотного интервала измеряемого переменного напряжения практически полностью определяется частотными свойствами операционного усилителя. Стабильность амплитудной характеристики прибора зависит от дрейфа .нуля операционного усилителя.

Достоянный и переменный токи измеряют по классической схеме (рис. 3), определяя падение напряжения, создаваемое измеряемым током на известном · сопротивлении. Для уменьшения соцротивления резисторов, входящих в шунт при измерении тока, и уменьшения падения напряжения на шунте использованы только два фиксированных поддиапазона измерения напряжения.

При измерении сопротивления операционный усилитель включают по схеме, изображенной на рис. 4. Малый входной ток и большой коэффициент усиления операционного усилителя MCi обеспечивают· линейность шкалы. Измеряемое сопротивление Rx включают в цепь обратной связи усилителя. Ток на инвертирующем входе операционного усилителя задан батареей Εχ и добавочным резистором Rao6. Ток через этот резистор практически равен току через RX). поэтому

вия операционного усилителя, а нижний (5—10 Гц) обусловлен иаеионносТью подвижной системы микроамперметра ИПу

Принципиальная схема прибора показана на рис. 8. Желаемый режим измерения выбирают кнопочным переключателем, состоящие из пяти секций с зависимой фиксацией (Вь В2, By В4, В5), €©- ответствующих измерению напряжения, тока, сопротивления, индуктивности и емкости. Для измерения частоты нажимают две кнопке г» R5 ‘и В $ (с независимой фиксацией).

Пределы измерения изменяют переключателем В% на три положения, а масштаб шкалы выбирают переключателем..^ на шее» положений. Группа из трех кнопок В9, BiQ" и Βί2 с зависимо· фиксацией служит для изменения полярности включения стрелочною прибора ИП{ при измерении постоянных тока и напряжения и подключения его к диагонали диодного моста Д\ — Д4 при измерен»! переменных тока и напряжения, емкости, индуктивности, частоты.

Цепи калибровки выполнены так, что в режиме измерения сопротивления и индуктивности калибровочный резистор Л9 или калибровочная катушка L± подключены к прибору и при нажатии · ш кнопку jВ13 отключаются. При измерении емкости калибровочный конденсатор С7, наоборот, подключается к прибору при нажатым на эту кнопку. Калибровочные резистор, конденсатор и катуяву .желательно применять с возможно более точными номиналами. Дш удобства калибровки в приборе применен сдвоенный переменный резистор BsR29. В положении Нуль измеряемое напряжение отключается, а вход операционного усилителя «заземляется». Это вызволяет контролировать «уход нуля» вольтметра, не отключая щуавы, прибора от источника .измеряемого напряжения.

Кнопка Βί4 с фиксацией служит для включения прибора. 2$рк включенном приборе нажатием на кнопку Вц без фиксации кояф·- лируют напряжение батарей Б2 и Бу В зависимости от того, МНМШ кнопка нажата — В9 или В10, прибор покажет напряжение батфй

Рис. 8. Принципиальная схема прибора.

Б\ или Бг. Сопротивления резисторов R2& R21 одинаковы. Они включаются в цепь прибора ΗΠχ при проверке работоспособности батарей.

Операционный усилитель МСг в приборе является основным активным элементом, используемым во всех режимах измерения. Его коэффициент усиления по постоянному току при разомкнутой цепи обратной связи должен быть не менее 10000. Частота входного сигнала, при которой усиление уменьшается до единицы, должна достигать сотен килогерц. Особо следует подчеркнуть необходимость минимальных «дрейфа нуля» (не хуже 100 мкВ/ °С) операционного усилителя и его входного тока (не более 10~9 А). Максимальное допустимое выходное напряжение должно быть не менее ±(3,5—4) В. Напряжение смещения нуля микросхемы устанавливают переменными резисторами R6, Rj (Установка нуля, Грубо и Точно). Для повышения устойчивости работы микросхемы включен конденсатор сб:

, Именно треугольная форма напряжения измерительного генератора прибора выбрана с целью повышения точности измерений (особенно на очень низкой частоте). Генератор треугольного напряже-

ния· собран на микросхемах МС2 и МС?,. Микросхема МС3 работает в режиме релаксационного генератора благодаря положительной обратной связи с выхода на неинвертирующий вход. Для дополнительт лого усиления треугольного .напряжения использована микросхема МС2, включенная как неинвеарующий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления.

Рис. 10. Скоба для’крепления микроамперметра.

Изменяя глубину отрицательной обратной связи резистором R2q, можно регулировать амплитуду напряжения треугольной формы на выходе генератора.. Частоту генератора изменяют переключением конденсаторов Сю» Си Э режиме измерения индуктивностей и С8, С9 в режиме измерения емкости. Отношения емкостей конденсаторов С10, Сц и С8, С9 должны быть выдержаны с точностью не хуже 2-5%.                                                                    1

Измерительный прибор выполнен в виде переносной конструкции. Стрелочный прибор ИП\ и· батареи питания размещены в левой части футляра, все остальные элементы — в правой. На передней панели прибора расположены тумблер Измерение — Нуль, входные зажимы, кнопочные переключатели, ручки, переменных резисторов калибровки и установки нуля. Чертеж передней панели показан на рис. 9. Она изготовлена из листовой стали СтЗ толщиной 0,8 мм. Снаружи передняя панель прикрыта фальшпанелью из стеклотекстолита толщиной 1 мм. Микроамперметр М266, две батареи «Крона», и элемент 373 закреплены на скобе, представляющей собой левую часть передней панели. Чертеж скобы изображен на рис. 10. Она изготовлена из того же материала, что и передняя панель. Пространство под микроамперметром, -закрываемое снаружи крышкой, использовано для хранения соединительных проводников и щупов. Внешний вид прибора изображен на рис. 11.

Операционные усилители и элементы, определяющие их режим, размещены на отдельной плате. Большинство резисторов и конденсаторов распаяны на выводах переключателей. Следует подчернуть, что описываемый прибор имеет высокую чувствительность и на его показания могут влиять всякого рода наводки и помехи. Поэтому .прибор должен быть хорошо экранирован. Футляр следует выполнять глухим, без отверстий, из проводящего материала. Можно футляр изготовить и из пластмассы, но в этом случае он должен быть оклеен изнутри медной или латунной фольгой. Отсек, в котором расположены операционные усилители, желательно герметизировать, поместив туда осушитель (силикагель или пятиокись фосфора).

• Вместо микроамперметра М266 можно использовать любой, имеющий ток полного отклонения стрелки 100 мкА, например М24, М265. Обе шкалы микроамперметра, одна на 100, а другая —на 300 делений — равномерные. Такой выбор шкал позволяет отсчитывать •показания на последних двух третях шкалы. Переключатель Βη на шесть положений — ПГ2-11-6П6НТ, В% — галетный на три положения

Рис. 11. Внешний вид прибора.

ПГЗ-ЗП12Н, 1?15 — Π1Τ2-1Τ. Остальные переключателя — кнопочные, Л2К.

Резисторы JR2, JR3, — ^25 должны быть подобраны с точностью не хуже ί %. В приборе могут быть использованы микросхемы серии К1УТ531 (чехословацкий аналог — АА500). Однако при этом на входе микросхемы, используемой вместо. К284УД1А, необходимо включить ступень на микросборке полевых транзисторов (рис. 12) для увеличения входного сопротивления операционного усилителя. Если не удалось приобрести микросборку КПС105А, ее можно заменить чехословацкими транзисторами AD3954 или подходящими отечественными. В последнем случае, оба транзистора следует подобрать как можно более близкими по параметрам. При питании операционных усилителей пониженным напряжением уменьшается потребляемый ими ток, при этом коэффициент усиления еще остается достаточно большим (не менее 10000). Диоды — Д\ (рис. 8) могут быть применены любые маломощные.

Налаживание правильно собранного из исправных деталей прибора не представляет трудностей. Для повышения устойчивости операционного усилителя МСХ может потребоваться более точный подбор корректирующего конденсатора Сб. Возбуждение операционного усилителя проявляется в зашкаливании стрелки прибора ж в повышенном потребляемом токе усилителя. Нормально работающий усилитель потребляет ток 2 — 3 мА (от каждой из батарей 2>2 и 2¾. Налаживание генераторов треугольного напряжения сводится к установке подстроечным резистором jR34 такого режима микросхемы МС$, чтобы амплитуда треугольного напряжения на выводе 9 микросхемы была равной 20—50 мВ. В некоторых случаях для обеспечения устойчивой работы микросхемы МС$ требуется включить между выводами 3 и / конденсатор емкостью 30 пФ, а между выводами 1 и 12— •последовательно включенные резистор сопротивлением 100 Ом и конденсатор емкостью 1000 пФ.

При проверке прибора в разных режимах измерения образцовые приборы выбирают так, что^ы их верхний предел отличался от верхнего , предела проверяемого прибора не более’ чем .на 25 %. Проверку начинают после пятиминутного прогрева приборов. В ре_- жиме измерения постоянного напряжения и тока следует применять образцовые приборы магнитоэлектрической системы класса точности не хуже 0,5:

Перед проверкой в режиме измерения переменного напряжения прибор нужно настроить. Для этого на прибор от звукового генератора подают напряжение частотой 1000 Гц такой амплитуды, чтобы стрелка прибора установилась на последнее деление десятивольтовой шкалы: Затем, сохраняя неизменной амплитуду напряжения, увеличивают1 частоту до. 50 кГц и, вращая ротор подстроечного конденсатора С3, вновь устанавливают стрелку прибора на последнее деление шкалы. Необходимо иметь в виду, что линейность шкалы прибора на частоте 100 кГц и более начинает нарушаться.

* Проверку прибора в режимах измерения сопротивления, емкости и индуктивности удобнее всего производить по образцовым резисторам, конденсаторам и катушкам индуктивности.

Перед каждым включением прибора для измерений необходимо проверять питающие напряжения. Если оба напряжения не менее 8 В, включают прибор нажатием кнопки R14.

Для повышения точности измерений переключатель В7 пределов нужно ставить всегда в такое положение, чтобы отсчитывать измеряемое значение ближе к концу шкалы.

При измерении малых значении переменного напряжения нужно убедиться, что на вход прибора поступает только измеряемое напряжение, а не какие-либо наводки, помехи. Если окажется, что на соединительные проводники наводится напряжение .помех, то для соединения прибора с источником измеряемого напряжения следует применять экранированый кабель, подключаемый к экранированному разъему (ВЧ) и установить переключатель В8 в положение 1. К этому же разъему можно подключать детекторную головку для измерения

напряжения частотой до 100 МГц. Однако шкала получается нелинейная, что требует ее дополнительной градуировки с помощью генератора стандартных сигналов.

Этот же разъем используют при измерении напряжения в высокоомных цепях. Так как вход операционного усилителя резисторами не шунтируется, высокоомный’ вход вольтметра (входное сопротивление более 150 МОм) может быть использован и для измерения различных электрических и неэлектрических величин, преобразованных в пропорциональное им напряжение с помощью емкостных или пьезоэлектрических датчиков.

Перед измерением сопротивления нажимают на кнопки В$ и Βί0 й переключателями ΒΊ и 2?8 устанавливают поддиапазон, соответствующий сопротивлению нужного калибровочного резистора. Например, для калибровочного резистора В9 = 1000 Ом переключатель В8 ставят в положение Ом, а В7 — в положение 1000 и переменным резистором Калибровка совмещают стрелку с последним делением шкалы. Затем подрдочают к прибору измеряемый резистор и нажимают на кнопку В12, а переключателями В7 и В% устанавливают наиболее удобный для измерения поддиапазон.

При измерении емкости нажимают на кнопки В5 и Вп, а переключателями Βη и В2 устанавливают предел, равный емкости соответствующего калибровочного конденсатора. Например, для калибровочной емкости в 1000 пФ переключатель В% ставят в положение пФ; а ΒΊ — в положение 1000. Подстройку производят при нажатой кнопке В12 переменным резистором, совмещая стрелку прибора с последним делением шкалы. Кнопку В13 отпускают (нажимают на нее еще раз) и подключают измеряемый конденсатор к зажимам прибора.

В режиме измерения индуктивности нажаты кнопки В4 и Bi2, а переключатели В7 и В$ находятся в положениях, соответствующих

Рис. 13. Привдшгаайьная схема блока питания прибора от сети.

калибровочной индуктивности. Вращая ручку переменного резистора Калибровка, совмещают стрелку прибора с последним делением шкалы. Затем подключают измеряемую индуктивность к зажимам прибора, нажимают на кнопку 2?13 и считывают показание стрелки.

При.использовании генератора треугольного напряжения для налаживания низкочастотной аппаратуры в зависимости от требуемой частоты включают режим измерения индуктивности или емкости. В первом случае должна быть нажатой кнопка В4, а переключатель Βη должен быть в положении 1000 или 3000. В положении мкГн переключателя В6 частота выходного треугольного напряжения, которое снимают с гнезда Общ. (*),— примерно 20 кГц, а в положении •мГн — 2 кГц. В режиме же измерения емкости частота треугольного напряжения равна приблизительно 200 Гц в положениях пФ и нФ переключателя В8 и около 2 Гц — в положении мкФ. Амплитуду выходного треугольного напряжения можно изменять переменным резистором калибровки.

Для измерения частоты нажимают на кнопки. В5 и В6. Переключатели Βη и 2?з устанавливают в положение Гц и 1000 (или 3000) Соответственно. Затем нажимают на кнопку Вц и по отклонению стрелки убеждаются в работоспособности прибора в данном режиме. После этого к прибору подключают источник напряжения измеряемой частоты и, подобрав переключателями Βη и’ В$ наиболее удобный поддиапазон, считывают показание стрелки.

При эксплуатации прибора в стационарных условиях можно применить сетевой блок питания, схема которого изображена на рис. 13. Трансформатор Трх собран на магнитопроводе ИИ 6 х 32. Обмотка I содержит 2200 витков провода ПЭВ-1 0,16, обмотка Я—150 витков провода ПЭВ-1 0,69 и обмотка Я/—2101 витков провода ПЭВ-1 0,35. Экран между сетевой и вторичными обмотками представляет собой однослойную обмотку из провода ПЭВ-1 0Д<Г.

Источник: Конструкций советских и чехословацких радиолюбителей: Сб. статей.—Кн. 2.—М.: Энергоиздат, 1981,— 1.92 с., ил. — (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1032).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты